纖維復合材加固受彎構件規范條文的理解應用

李文瑞

(晉城市建筑設計院，山西晉城 048000)

0 引言

纖維復合材加固混凝土結構是一種新型的結構加固方法，它是利用樹脂類粘結材料將高強纖維織物粘結于混凝土表面，從而達到對結構構件補強加固的目的。目前被廣泛使用的碳纖維復合材具有比鋼材高出10倍左右的抗拉強度，其彈性模量比鋼材高或接近。它可以代替鋼筋應用于混凝土的抗彎、抗剪加固，直接有效地提高其承載能力;通過用碳纖維布環向裹筋(環箍)，可間接提高核心混凝土的強度和延性，而將其應用于框架節點和受壓柱的承載力加固及提高結構抗震的延性和耗能能力。因此，與傳統的加固方法相比，碳纖維加固具有明顯的優點:高強、輕質、高效、施工簡便。近年來被廣泛應用在各類工程加固中。2006年國家頒布了GB 50367-2006混凝土加固設計規范之后，加固設計，特別是粘結加固設計計算方法有了統一、明確的規定，對于規范和統一粘結加固的設計、施工標準具有重大意義。下面筆者根據對GB 50367-2006混凝土加固設計規范的學習和實際加固工程設計過程中遇到的情況，講幾點個人對于采用纖維復合材加固受彎構件正截面的理解。

1 加固的目標與原則

1)原鋼筋混凝土梁具有一定的受彎承載力Mu，經纖維復合材加固，增加纖維復合材有效截面面積Afe后該梁所能承擔的彎矩設計值為M，M＞Mu，一般設計過程為:經計算先確定M，再推算Afe，進而算出實際需要粘貼的纖維復合截面面積Af。

2)加固后的鋼筋混凝土梁的受力特性和破壞形態應控制在適筋破壞的狀態下，應避免出現受拉鋼筋達到屈服前，并且纖維復合材應力水平較低時受壓區混凝土先壓壞的超筋破壞形態，規范通過控制相對受壓區高度ξbf來實現這一目標。而對于少筋破壞形態，由于原鋼筋混凝土梁在設計時已經考慮避免出現這一情況，再經過纖維復合材加固，這種狀況一般不會出現。

3)對于經纖維復合材加固后可能出現的混凝土保護層剪切受拉剝離破壞和復合材與混凝土基層間的粘結剝離破壞，規范主要通過:a.控制被加固混凝土結構構件實測強度及表面正拉粘結強度(規范9.1.2條);b.保證纖維復合材粘貼延伸長度(規范9.2.5條);c.控制膠粘劑的物理力學性質(規范4.5節)等措施加以保證。

4)對于加固后的鋼筋混凝土梁正常使用階段裂縫和撓度控制要求及驗算公式，規范中沒有明確條文。a.關于驗算公式:實際情況中，由于被加固鋼筋混凝土梁的受力歷史、應力水平、已有變形和裂縫情況，加固前允許的卸荷條件等情況較復雜，經纖維復合材加固后的梁，其剛度和裂縫寬度驗算的理論和實驗結果方面缺少成熟的研究成果。因此《混凝土結構加固設計規范》中未提出明確條文加以控制，但是規范第9.2.10條及其條文說明中規定“鋼筋混凝土結構構件加固后，其正截面受彎承載力的提高幅度不應超過40%，并應驗算其受剪承載力”。其目的就是為了控制加固后構件的裂縫寬度和變形，并且也為了強調“強剪弱彎”設計原則的重要性。可見加固規范是通過對被加固梁承載力提高幅度的控制來間接進行變形裂縫控制的。b.關于撓度和裂縫控制要求:筆者認為應延用GB 50010-2002混凝土結構設計規范中3.3節的有關規定，具體實際設計過程中的用法在后文中明確。

5)關于二次受力問題，所有加固構件基本上都存在“二次受力”的問題，即原有構件已經承擔了一些荷載，相應地已經產生了變形和應力、應變，一般假定加固后構件截面仍遵循平截面假定，即在后加荷載作用下，構件橫截面上材料(如鋼筋與纖維材復合)的應變的增量，符合平截面假定。在加固前如果原構件受力較大，變形和應力、應變水平較高，則加固后在后加荷載作用下鋼筋很快達到屈服，導致構件撓度、裂縫均較大，而此時纖維復合材的應力水平還較低，不能充分發揮其材料性能，造成加固的性價比低。為盡量避免這一情況出現，使構件原有材料與加固材料能在較大程度上共同工作，規范規定:“采用纖維復合材料鋼筋混凝土結構進行加固時，應采取措施卸除或大部分卸除作用在結構上的活荷載”。筆者認為，在條件許可的情況下應盡量卸載(包括恒載)，并盡可能維持一段卸載時間，必要時可以對原結構受拉區施加預壓應力。

2 實際設計工作中遇到問題的處理

某工程為框架結構，地上7層，6度設防，梁柱混凝土強度等級C30，主要樓板(除樓梯、衛生間現澆外)為預應力空心板，粘土磚空斗墻填充。主體完工后近十年未使用，近期擬改造成一賓館。由于規范調整、荷載變動、防火要求等原因，已有預應力空心樓板和隔墻全部拆除，改為100厚現澆樓板，加氣混凝土砌塊墻填充，經檢測和計算復核部分梁柱需加固，梁正截面承載力加固主要采用粘貼纖維復合材加固法。

2.1 裂縫和撓度控制問題

本工程加固時原有恒活荷載均已基本卸除，并已維持卸荷狀態一段時間，因此加固設計時未考慮二次受力的影響。但根據GB 50010-2002混凝土結構設計規范中3.3節的要求，考慮了撓度和裂縫控制。具體做法是:設計計算采用了SATWE軟件，并根據撓度和裂縫控制的要求生成需配鋼筋面積，需配鋼筋面積與梁中原有實配鋼筋面積比較，不足部分考慮加固。用需配鋼筋面積按單筋矩形截面梁反算(單筋矩形截面是SATWE程序計算配筋時模型)出梁在控制撓度裂縫情況下“需要”承擔的彎矩值，按加固規范的計算要求計算所需纖維復合材面積。

2.2 根據規范公式計算，當受壓鋼筋As'較多，受壓區高度 χ＜2α'的特殊情況

在某些情況下，梁受壓區實配鋼筋面積較大(如框架梁支座處梁頂需要加固時，梁底縱筋面積通常較大)，此時，將受壓區實配鋼筋面積代入公式計算受壓區高度χ時，如果算得χ＜2α'，則表示實際情況下受壓鋼筋不會充分利用:即不會達到受壓屈服狀態。按三種情況進行計算:1)不考慮受壓鋼筋影響;2)按規范公式計算;3)考慮受壓鋼筋不能達到充分利用，鋼筋壓應力未知，為避免計算復雜，對受壓鋼筋重心取矩計算，有下列三種結果(見實例):

工程實例:某框架梁截面尺寸300×650，矩形截面(原設計樓板為預應力空心板)，混凝土強度等級 C30，實配底筋經計算，考慮裂縫控制的需配上筋為梁上除自重以外所有荷載全部卸除，不考慮二次受力影響，以此計算梁支座處粘貼復合纖維材所需要的面積。

解:

驗算:χ=80。

α1fcbx+fy'As'(h－α')－fyAs(h－h0)=1.0×14.3×300×80×(600－)+300×1 388×(600－40)－300×1 490×(600－560)=192.192 × 106+ 233.184 × 106－ 17.88 × 106=407.5 kN·m＞M=263.8 kN·m。

且按此加固后的梁所能承擔的彎矩是需要承擔彎矩的1.545倍，是加固前受彎承載力的1.795倍。

a.加固前(由于程序計算時不考慮受壓區鋼筋影響，仍按單筋受彎截面計算):

加固前受彎承載力Mu:

Mu=α1fcbχ=1×14.3×300×104.2×(560－227.04 kN·m。

b.加固后:

加固后需承受的彎矩M:

M=1×14.3×300×123.4×(560－=263.8 kN·m。

c.加固計算:

若不考慮受壓鋼筋影響:

混凝土受壓區高度:

纖維復合材強度利用系數:

纖維復合材有效截面面積:

按規范中9.2.3條公式9.2.3-1考慮受壓鋼筋影響計算χ:

仍令χ=2α'，對受壓鋼筋截面重心取矩，該點同時也是混凝土受壓區高度的重心，因此彎矩計算不考慮受壓區混凝土，僅考慮受拉鋼筋和纖維復合材。

對上述情況進行驗算:

∑χ=0，Afe·ff+fyAs=σy'As'+α1fcb·2α'。

經驗算可知:受壓鋼筋應力σy'＜fy'。

小結:筆者認為在受壓筋較多，混凝土受壓區高度χ＜2α'的情況下按照第3)種情況，對受壓鋼筋重心取矩計算Afe比較合理。按規范公式計算，考慮受壓筋充分利用，存在加固過強的情況，應根據情況合理采用。

2.3 小結

在個別情況下，梁受壓區鋼筋(僅為架立筋或受力筋)直徑較細，箍筋配置不滿足《混凝土結構設計規范》中第10.2.10條的要求，即:箍筋應做成封閉式，箍筋間距不應大于15倍受壓縱筋最小直徑。在此情況下，建議不考慮受壓鋼筋的影響，按As'=0計算梁受壓區高度和纖維復合材面積。

[1]GB 50367-2006，混凝土加固設計規范[S].

[2]呂西林.建筑結構加固設計[M].北京:科學出版社，2001.

[3]左成平，左明漢.混凝土結構粘結加固設計與算例[M].北京:中國建筑工業出版社，2007.

[4]張 莉，于艷春.碳纖維布加固木梁抗彎性能全過程分析[J].山西建筑，2011，37(16):37-38.